STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII

Rolul biomarkerilor în patologia pulmonară din fibroza chistică (mucoviscidoza)

 Role of biomarkers in cystic fibrosis pulmonary disease

First published: 08 iunie 2017

Editorial Group: MEDICHUB MEDIA

DOI: 10.26416/Pedi.46.2.2017.806

Abstract

Biomarkers are quantifiable indicators that help supporting the diagnosis or the evolution of a particular disease. Pulmonary biomarkers are used more frequently for monitoring the disease and to evaluate the response to treatment in individuals with cystic fibrosis. Whether they are biomarkers for general inflammation or specific biomarkers, their role is particularly important in diagnosis and management. Additional studies are needed for specific markers, not only for inflammation, but also for disease progression, treatment efficiency and infections.
 

Keywords
biomarker, cystic fibrosis, inflammation

Rezumat

Biomarkerii reprezintă indicatori cuantificabili, care aju­tă la susţinerea diagnosticului sau a evaluărilor unei anu­mite patologii. Biomarkerii pulmonari sunt folosiţi mai frecvent pentru a monitoriza boala şi a evalua răs­pun­­sul la tratament la indivizii cu fibroză chistică. Fie că sunt biomarkeri pentru inflamaţia la modul general sau biomarkeri specifici, rolul acestora este deosebit de im­por­tant în diagnostic şi management. Sunt ne­ce­sare studii suplimentare pentru markeri specifici, nu numai pentru inflamaţie, ci şi pentru evoluţia bolii, eficienţa tratamentului şi apariţia infecţiilor.
 

Introducere

Biomarkerii sunt indicatori cuantificabili, care pot fi asociaţi cu o maladie sau cu un status fiziologic, fiind capabili să susţină diagnosticul sau evaluările predictive ale unei anumite patologii. Accesibilitatea, sensibilitatea şi specificitatea sunt factori importanţi ai biomarkerilor, pentru a fi fiabili (Wallace et al.)(1). Biomarkerii pulmonari sunt folosiţi mai frecvent pentru a monitoriza boala şi a evalua răspunsul la tratament la indivizii cu fibroză chistică (FC) (Scott D. Sagel et al.)(2). O direcţie importantă în dezvoltarea biomarkerilor ar fi detectarea precoce a infecţiilor pulmonare, în afară de urmărirea eficacităţii tratamentului şi monitorizarea evoluţiei bolii.
Având în vedere importanţa crescută a dezvoltării unor medicamente antiinflamatoare pentru fibroza chistică, nevoia identificării unor biomarkeri fiabili, care indică efectul terapiei cu îmbunătăţire clinică ulterioară, a crescut (Sagel S.D. et al.)(2).
Dacă pentru patologiile severe, frecvente, precum sepsisul, a fost arătat un interes special, pentru bolile rare, precum fibroza chistică, studiile sunt abia la început.
Patologia pulmonară la pacienţii cu fibroză chistică reprezintă un segment extrem de important, fiind practic un determinant major în evoluţia bolii, iar pentru alte complicaţii, cum ar fi hepatopatia asociată FC, s-a încercat testarea mai multor biomarkeri (Ioana M. Ciuca, 2014, pg. REV CHIM-BUCHAREST 2014, 65123-125).
Există numeroşi biomarkeri folosiţi pentru inflamaţie şi în diagnosticarea şi evaluarea bolilor severe precum sepsisul (Bedreag O.H.)(3): interleukina 1 (IL-1), interleukina 2 (IL-2), interleukina 6 (IL-6), interleukina 12 (IL-12), interleukina 8 (IL-8), interleukina 4 (IL-4), interleukina 10 (IL-10), interleukina 17 (IL-17), interleukina 13 (IL-13), factorul de necroză tumorală alfa (TNF-alfa), pe lângă interferon gamma (INF-gamma), factorul de creştere beta (TGF-beta), procalcitonina (PCT), peptidul C natriuretic N-terminal (NT-CNP), proteina C reactivă (CRP), factorul de stimulare a coloniilor de granulocite şi monocite (GMCSF), leucotriene, prostaglandine şi tromboxan, fracţiuni ale complementului (C3a, C5a) (Dumache R. et al., 2015: 1867 16).
Quon a publicat o recenzie extinsă a literaturii, care cuantifică proteinele circulante legate de căile inflamatorii, în patru direcţii: proteinele de fază acută, citokinele proinflamatoare, markeri de inflamaţie neutrofilici şi markeri ai hipoxiei/injuriei tisulare. Proteinele de fază acută includ proteina C reactivă (CRP) şi celula solubilă de diferenţiere 14 (sCD14), pentru răspunsul de fază inflamatoare precoce fiind evaluate: interleukina 6 (IL-6), interleukina-1β (IL-1β) şi proteina-1 monocitară chemoatractivă. În ceea ce priveşte inflamaţia neutrofilică, au fost folosiţi drept markeri factorul de stimulare de colonii granulocitare (G-CSF) şi mieloperoxidaza (MPO), iar factorul vascular endotelial de creştere a fost considerat un marker al injuriei/hipoxiei tisulare (Quon BS)(4). Rezultatele au arătat că nivelurile sCD14 au fost semnificativ mai mari la pacienţii cu exacerbare, în urmărirea pe termen scurt, cu o tendinţă ascendentă de creştere semnificativă a nivelurilor CRP, MCP-1 şi MPO. Niciun alt biomarker plasmatic nu a demonstrat o capacitate diferenţială adecvată pentru detectarea exacerbărilor pulmonare (Quon B.S.)(4).
Pentru speranţa de viaţă a pacienţilor cu fibroză chistică, cel mai important lucru este menţinerea plămânului într-un stadiu funcţional bun, în ciuda exacerbărilor inflamatoare frecvente secundare infecţiei cu Pseudomonas aeruginosa sau cu alte microorganisme specifice FC (Ranganathan S.C. et al., 66: 408-413)(5).
Ca urmare a procesului inflamator, deteriorarea structurii pulmonare, cu dezvoltarea bronşiectaziilor şi distrugerea parenchimului, duce la o scădere a funcţiei pulmonare (Decraene et al.)(6), urmată de hipoxie cronică şi, eventual, deces. Identificarea unor noi biomarkeri este crucială pentru o mai bună gestionare a FC la pacienţii cu fibroză chistică.
Cercetători ca Rao şi colab.(7) au găsit miR-146 bacterian, care se leagă la un receptor din familia TLR, în sputa pacienţilor cu FC infectaţi cu Pseudomonas aeruginosa. Alte miRNAs, ca miR-155, par să activeze inflamaţia dependentă de IL-8 la pacienţii cu FC; nivelurile ridicate de miR-155 în celulele FF sterile au scăzut după expunerea la citokina IL-10 antiinflamatoare sau după inhibarea semnalizării IL-1 (Tsuchiya M. et al., 121-129)(8), urmată de scăderea producţiei de IL-8. Aceasta susţine că miR-155 este un regulator de expresie IL-8 şi, în consecinţă, şi a căii NF-kB (Noel S.).

Biomarkerii infecţiei

Pacienţii cu fibroză chistică sunt expuşi riscului de a dezvolta infecţii pulmonare cronice cu germeni redutabili; cei mai periculoşi sunt Pseudomonas aeruginosa, Staphyloccocus aureus meticilino-rezistent şi Burholderia spp.
Pseudomonas aeruginosa colonizează plămânii cu fibroză chistică, în ciuda tratamentului antibiotic agresiv, colonizarea cronică ducând la deteriorarea progresivă a plămânilor, formând bronşiectazii, exacerbări frecvente şi, în final, insuficienţă respiratorie şi deces la majoritatea pacienţilor. Pseudomonas aeruginosa are capacitatea de a dezvolta biofilme protectoare care protejează microbii împotriva acţiunii antibioticelor.
Este bine cunoscut faptul că unul dintre mecanismele care declanşează răspunsul inflamator este efectul toxinelor bacteriene (Bedreag O.H.)(9).
Microbii au diferite căi de a lupta cu corpul uman, una dintre acestea fiind eliberarea de una sau mai multe toxine bacteriene care produc infecţia, în timp ce alte exotoxine au un rol direct în şocul toxic. Există bacterii care produc atât exotoxine, cât şi endotoxine, în timp ce o parte dintre ele produc numai endotoxine (Bedreag O.H.)(9).
În efortul de a găsi un biomarker fiabil pentru descoperirea timpurie a primului contact al plămânului din FC cu Pseudomonas aeruginosa, mulţi biomarkeri serici sau respiratori au fost luaţi în considerare de cercetători diferiţi.
Pentru clasificarea statusului de infecţie cu P. aeruginosa sunt utilizate în prezent criteriile Leeds; astfel, primoinfecţia este definită de prima detectare a microbului în cultură, infecţia intermitentă este definită prin prezenţa unor culturi pozitive intermitente timp de un an, iar infecţia cronică - persistenţă a pozitivităţii P. aeruginosa în culturi (Lee TWR)(10).
Utilitatea testelor serologice pentru detectarea infecţiei pulmonare cu P. aeruginosa în FC este discutabilă. Diferite rapoarte sugerează că testele serologice pot ajuta la distincţia dintre colonizarea intermitentă şi infecţia cronică. Mauch şi colaboratorii susţin importanţa IgG anti-P. aeruginosa pentru detectarea infecţiei, concluzionând că doza de IgG anti-P. aeruginosa poate fi un instrument valoros pentru identificarea infecţiei cronice cu P. aeruginosa la pacienţii cu FC (Mauch şi colab.)(11).
În ultimele trei decenii, mai multe studii au arătat potenţialul detectării anticorpilor în diagnosticarea precoce a infecţiei pulmonare cu P. aeruginosa (Da Silva Filho L.V.F.)(12), pentru a iniţia terapia de eradicare timpurie.
Markeri non-invazivi au fost urmăriţi, precum con­centraţiile FeNO de oxid nitric expirat, valorile FeNO la pacienţii cu FC fiind cunoscute a fi mai mici decât valorile FeNO găsite la cei sănătoşi. Mulţi factori ar putea contribui la niveluri scăzute de NO ale căilor respiratorii la pacienţii cu FC, iar Grasemman a arătat că atribuirea alelelor la un polimorfism repetat intronic în gena NOS1 este asociată cu niveluri de NO expirat la pacienţii cu FC (Grasemann H.)(13).
Cianura de hidrogen gazos (HCN) este prezentă în respiraţia expirată oral la pacienţii cu FC, sugerând prezenţa Pseudomonas aeruginosa în căile respiratorii inferioare, fiind găsită in vitro şi confirmată de unele studii cu culturi microbiologice (Smith D.)(14). 
Au existat studii care susţin că măsurătorile HCN în aerul expirat ar putea fi un instrument suplimentar de diagnosticare pentru a detecta prezenţa timpurie a P. aeruginosa în căile respiratorii inferioare şi un test de monitorizare neinvaziv pentru a spori probabilitatea eradicării sale.
Cianura de hidrogen gazos a fost găsită în niveluri ridicate în aerul expirat al copiilor cu fibroză chistică comparativ cu copiii cu astm (Enderby B.)(15), dar lipsa ei de sensibilitate nu o recomandă ca un biomarker consecvent pentru infecţia precoce a FC cu P. aeruginosa; cianura de hidrogen expirată este un biomarker specific, dar insensibil, al noii infecţii cu Pseudomonas aeruginosa la copiii cu FC (Gilchrist F.)(16).
Infecţiile generate de Pseudomonas aeruginosa modifică expresia miRNAs, în special ale miRNA-302b (X. Zhou)(17) şi miRNA-233 (L. L. Dai)(18).

Concluzii

Deşi diferiţi biomarkeri se bazează în mod constant pe aspecte diferite ale unei astfel de patologii excepţionale cum este FC, mulţi dintre ei fiind promiţători, sunt necesare mai multe studii pentru markerii adecvaţi, nu numai pentru inflamaţie, ci şi pentru evoluţia bolii, eficienţa tratamentului şi apariţia infecţiilor.
Viitorul pare a fi al biomarkerilor.   

Bibliografie

1. Wallace, R.G., Twomey, L.C., Custaud, M.A., Moyna, N., Cummins, P.M., Mangone, M., Murphy, R.P. (2016). Potential Diagnostic and Prognostic Biomarkers of Epigenetic Drift within the Cardiovascular Compartment. BioMed Research International, 2016, 2465763. http://doi.org/10.1155/2016/2465763.
2. Scott D. Sagel, James F. Chmiel, and Michael W. Konstan. Sputum Biomarkers of Inflammation in Cystic Fibrosis Lung Disease. Proceedings of the American Thoracic Society, Vol. 4, No. 4(2007), pp. 406-417.
3. Bedreag O.H, Rogobete A.F., Dumache R., Sarandan M., Cradigati A.C., Papurica M., Sandesc D., Use of circulating microRNAs as biomarkers in critically ill polytrauma patients, Biomarkers and Genomic Medicine, Volume 7, Issue 4, December 2015, Pages 131–138, https://doi.org/10.1016/j.bgm.2015.11.002 Published: 2015-12.
4. Quon BS, Ngan DA, Wilcox PG, Man SFP, Sin DD (2014) Plasma sCD14 as a Biomarker to Predict Pulmonary Exacerbations in Cystic Fibrosis. PLoS ONE 9(2): e89341. doi:10.1371/journal.pone.0089341.
5. Ranganathan SC, Parsons F, Gangell C, Brennan S, Stick SM, Sly PD. Evolution of pulmonary inflammation and nutritional status in infants and young children with cystic fibrosis. Thorax 2011;66:408–413.
6. Decraene A., Anna Willems-Widyastuti, Ahmad Kasran, Kris DeBoeck, Dominique M Bullens and Lieven J Dupon. Chronic infection with P. aeruginosa appears to be associated with higher mRNA expression of these cytokines in CF airways, Respiratory Research 2010, 11:177 DOI: 10.1186/1465-9921- 11-177.
7. Rao JR, Nelson D, Moore JE, Millar BC, Goldsmith CE, Rendall J, Elborn JS. Non-coding small (micro) RNAs of Pseudomonas aeruginosa isolated from clinical isolates from adult patients with cystic fibrosis. Br J Biomed Sci. 2010; 67(3): 126-132.
8. Tsuchiya M, Kumar P, Bhattacharyya S, Chattoraj S, Srivastava M, Pollard HB, Biswas R. Differential regulation of inflammation by inflammatory mediators in cystic fibrosis lung epithelial cells. J Interferon Cytokine Res. 2013; 33(3): 121-129.
9. Bedreag O.H. Use of circulating microRNAs as biomarkers in critically ill polytrauma patients Biomarkers and Genomic Medicine, Volume 7, Issue 4, Pages 131-138.
10. Lee TWR, Brownlee KG, Conway SP, Denton M, Littlewood JM: Evaluation of a definition for chronic Pseudomonas aeruginosa infection in cystic fibrosis patients. J Cyst Fibros 2003, 2(Suppl 1):29–34.
11. Mauch et al. Assessment of IgG antibodies to Pseudomonas aeruginosa in patients with cystic fibrosis by an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), Diagnostic Pathology 2014, 9:158.
12. Da Silva Filho LVF, Tateno AF, Martins KM, Azzuz Chernishev AC, Garcia DO, Haug M, Meisner C, Rodrigues JC, Döring G: The combination of PCR and serology increases the diagnosis of Pseudomonas aeruginosa colonization/infection in cystic fibrosis. Pediatr Pulmonol 2007, 42(Supply10):938–944.
13. Grasemann H., Knauer N., Buscher R., Hubner K., Drazen J. M., Ratjen F. (2000). Airway nitric oxide levels in cystic fibrosis patients are related to a polymorphism in the neuronal nitric oxide synthase gene. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 162, 2172–217610.1164/ajrccm.162.6.2003106.
14. Smith D., Spanel P., Gilchrist F., Lenney W. Hydrogen cyanide, a volatile biomarker of pseudomonas aeruginosa infection. Breath. Res. 7,044001 (2013).
15. Enderby B., Smith D., Carroll W. & Lenney W. Hydrogen cyanide as a biomarker for Pseudomonas aeruginosa in the breath of children with cystic fibrosis. Pediatr. Pulmonol. 44, 142–147 (2009).
16. Gilchrist F., Belcher J., Jones A.M., Smith D., Smyth A.R., Southern K.W., Španěl P., Webb A.K., Lenney W. Exhaled breath hydrogen cyanide as a marker of early Pseudomonas aeruginosa infection in children with cystic fibrosis, ERJ Open Research 2015 1: 00044-2015; DOI: 10.1183/23120541.00044-2015.
17. X. Zhou, X. Li, Y. Ye et al., MicroRNA-302b augments host defense to bacteria by regulating inflammatory responses via feedback to TLR/IRAK4 circuits, Nature Communications, vol. 5, 2014.
18. L. L. Dai, J. X. Gao, C. G. Zou, Y. C. Ma, and K. Q. Zhang, Mir-233 modulates the unfolded protein response in C. elegans during Pseudomonas aeruginosa infection, PLoS Pathogens, vol. 11, no. 1, Article ID e1004606, 2015.

Articole din ediţiile anterioare

STADIUL ACTUAL AL CUNOAŞTERII | Ediţia 4 52 / 2018

Bronşiectaziile non-fibroză chistică – diagnostic şi management terapeutic

Daniela Marcela Ionescu

Bronşiectaziile non-fibroză chistică (NCFB) sunt încă o cauză im­por­tan­tă de boală pulmonară supurativă cronică, în ţările slab dezvoltate şi în ...

28 decembrie 2018
ACTUALITATI/UP-TO-DATE | Ediţia 1 57 / 2020

Biomarkeri de diagnostic în sepsis

Violeta Ștreangă, Oana Maria Stângă, Nicolai Nistor, Dana Elena Mîndru, Irina-Mihaela Ciomagă, Aniela Rugină, Otilia Frăsinariu

Sepsisul a fost recent redefinit ca disfuncţie organică potenţial letală, provocată de alterarea răspunsului organismului-gazdă la infecţie. Din ca...

19 martie 2020
STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII | Ediţia 1 / 2015

Managementul infecţiei pulmonare la pacienţii cu mucoviscidoză (fibroză chistică)

Conf. Dr. Ioana Ciucă, Zagorca Popa, Prof. Dr. Liviu Laurenţiu Pop

Mucoviscidoza (fibroza chistică - FC) este cea mai frecventă boală monogenică potenţial letală a populaţiei de origine caucaziană, cu transmitere a...

12 martie 2015